Los ingenieros de la Universidad de Arizona han verificado experimentalmente los procesos electroquímicos que controlan la tasa de transferencia de carga de un polímero orgánico a una molécula de biomarcador. utilizando materiales y técnicas de medición comunes para que sus resultados sean ampliamente accesibles y reproducibles.

Sus hallazgos, reportado en Comunicaciones de la naturaleza , avanzará en el campo de la bioelectrónica orgánica, particularmente en medicina, y tener aplicaciones a las tecnologías de almacenamiento de energía, como baterías y pilas de combustible.

Un desafío natural

Las reacciones de transferencia de electrones son procesos fundamentales en biología, química, física e ingeniería en la que un electrón se transfiere de una molécula a otra molécula o sustancia. La transferencia de electrones impulsa todo, desde la fotosíntesis y la respiración hasta la electrónica. Comprender los mecanismos y velocidades de estas reacciones hace posible controlar la capacidad de detección y la señal de salida de los dispositivos electrónicos, como células solares y sensores biomédicos.

Coautores Erin Ratcliff, profesor asistente en ciencia e ingeniería de materiales, y la asociada postdoctoral Melanie Rudolph han demostrado nuevas formas de lograr la selectividad de los biomarcadores para diseñar mejores biosensores. La selectividad se logra procesando un polímero de tal manera que controle con precisión la tasa de transferencia de carga entre él y una molécula de biomarcador.

La mayor parte de la electrónica actual está hecha de materiales semiconductores inorgánicos como el silicio. Son muy eficaces pero es caro de producir y tiene una compatibilidad limitada con los sistemas biológicos.

"Los materiales electrónicos tradicionales son duros y frágiles, y, por lo tanto, propenso a fallar en estructuras portátiles flexibles, ", Dijo Ratcliff." Los dispositivos electrónicos biomédicos implantables existentes, como los desfibriladores, han logrado un éxito notable, pero el potencial de la bioelectrónica orgánica portátil e implantable es impresionante ".

En el campo de rápido crecimiento de la bioelectrónica orgánica, los ingenieros están usando orgánicos, o a base de carbono, polímeros conductores para producir componentes electrónicos de bajo costo y ligeros, flexible y ponible, y fácil de imprimir.

Dicha bioelectrónica orgánica podría incluir blandos, bombas de iones transparentes y extensibles para la administración de fármacos; vendajes portátiles que se concentran en uno de los cientos de biomarcadores presentes en el sudor; o implantes biológicos de tejido neural que permiten a un amputado manipular un brazo robótico, mano y dedos.

Los materiales operan mediante reacciones de transferencia de carga entre los polímeros conductores orgánicos y el entorno circundante. Estas reacciones son muy diferentes a las de los materiales inorgánicos y los electrolitos. Al comprender mejor estos procesos, los investigadores pueden manipular las propiedades de los polímeros orgánicos para producir dispositivos más biocompatibles que difuminen los límites entre humanos y máquinas.

Nuevo territorio en experimentación

En su papel Ratcliff y Rudolph describen algunos de los primeros experimentos para probar una teoría líder de la transferencia de electrones en sistemas electroquímicos con polímeros orgánicos.

Los investigadores demostraron el modelo de Marcus-Gerischer, basado en el trabajo del físico teórico y premio Nobel Rudolph Marcus y el fallecido electroquímico Heinz Gerischer. La teoría de Marcus explica las velocidades de las reacciones de transferencia de electrones de una molécula a otra; Gerischer amplió la teoría para explicar las reacciones de transferencia de carga entre moléculas en solución (electrolitos) y materiales sólidos con propiedades conductoras, como metales y semiconductores.

La investigación de la UA resultó en dos hallazgos clave.

Primero, el equipo demostró que la tasa de transferencia de electrones de un polímero a un electrolito depende directamente de la cantidad de energía aplicada:cuanto mayor es el voltaje aplicado, cuanto más rápida sea la tasa de transferencia de electrones. Este es el régimen normal de transferencia de cargos que Marcus teorizó.

El segundo, y más emocionante, pieza para los investigadores fue su demostración de la teoría de Marcus de la transferencia de carga invertida, que establece que a medida que aumenta el voltaje aplicado a un sistema químico, La tasa de transferencia de electrones en algún momento se ralentiza drásticamente.

"En nuestros experimentos, Combinamos las fórmulas de Marcus y Gerischer y las aplicamos para demostrar que son únicas, pero predecible, Mecanismos de transferencia de carga de electrones en la interfaz de polímeros orgánicos y electrolitos. ", Dijo Ratcliff." Producimos casi exactamente la misma curva invertida que esperábamos según el modelo de Marcus-Gerischer ".

"Entendí la transferencia de carga invertida en teoría, pero me sorprendió mucho obtener estos resultados una y otra vez en el laboratorio, "Dijo Rudolph.

Un marco para la investigación futura

Ratcliff y Rudolph usaron una molécula modelo, ferrocenodimetanol, un estándar de investigación electroquímica, y el material polimérico de película delgada ampliamente estudiado poli (3-hexiltiofeno), o P3HT. Pegaron el polímero de película delgada a un portaobjetos de vidrio y lo expusieron a una solución de electrolito. Mediante el uso de una forma de espectroscopia electroquímica, Ratcliff y Rudolph analizaron la transferencia de electrones y la distribución de iones en microsegundos y segundos.

En general, sus hallazgos demuestran que la transferencia de electrones en la interfaz de un polímero orgánico conductor y un electrolito está directamente controlada por la estructura electrónica del polímero. una guía de diseño importante para futuras aplicaciones de bioelectrónica orgánica.

"Sugerimos cosas para que los científicos e ingenieros de materiales busquen, utilizando las herramientas de la ingeniería molecular, pueden sintetizar materiales avanzados para obtener los resultados deseados, "Dijo Rudolph.

"Siempre que se le ocurra un marco fundamental para la experimentación, empuja un campo hacia adelante, "Añadió Ratcliff.